1.1-金屬及合金的性能解析

1、2021/2/121 2021/2/122 現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)都離不開(kāi)工程材料現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)都離不開(kāi)工程材料, 雖然近年來(lái)非金屬材料（陶瓷、高分子及復(fù)合材料）發(fā)雖然近年來(lái)非金屬材料（陶瓷、高分子及復(fù)合材料）發(fā) 展迅速展迅速,但是金屬材料由于具有良好的物理性能、化學(xué)性但是金屬材料由于具有良好的物理性能、化學(xué)性 能、力學(xué)性能以及工藝性能能、力學(xué)性能以及工藝性能,因此在這些部門(mén)仍然獲得了因此在這些部門(mén)仍然獲得了 廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。 金屬材料及熱處理主要研究金屬與合金的成分和所經(jīng)金屬材料及熱處理主要研究金屬與合金的成分和所經(jīng) 歷的熱處理過(guò)程與其內(nèi)部組織和性能的相互關(guān)系

2、，以及歷的熱處理過(guò)程與其內(nèi)部組織和性能的相互關(guān)系，以及 如何改善金屬及合金的組織與性能。如何改善金屬及合金的組織與性能。 只有掌握這些知識(shí)，才能合理地選用材料、以充分發(fā)只有掌握這些知識(shí)，才能合理地選用材料、以充分發(fā) 揮材料的潛力，延長(zhǎng)使用壽命，并降低成本。此外，為揮材料的潛力，延長(zhǎng)使用壽命，并降低成本。此外，為 了正確地制定鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削加工等了正確地制定鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削加工等 工藝規(guī)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，也必須學(xué)習(xí)金屬材料工藝規(guī)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，也必須學(xué)習(xí)金屬材料 的基礎(chǔ)知識(shí)。的基礎(chǔ)知識(shí)。 2021/2/123 1-1 金屬及合金的性能金屬及合金的性能

3、1-2 鐵碳合金及其狀態(tài)圖鐵碳合金及其狀態(tài)圖 1-3 鋼的熱處理鋼的熱處理 1-4 其他常用金屬材料其他常用金屬材料 本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容 選材選材選毛坯選毛坯預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理機(jī)械加工機(jī)械加工 最終熱處理最終熱處理精加工精加工檢驗(yàn)檢驗(yàn) 工件加工過(guò)程工件加工過(guò)程: 2021/2/124 1-1 1-1 金屬及合金的性能金屬及合金的性能 使用性能使用性能: :材料在使用過(guò)程中所表材料在使用過(guò)程中所表 現(xiàn)的性能?，F(xiàn)的性能。 物理性能主要是指密度、熔點(diǎn)、熱物理性能主要是指密度、熔點(diǎn)、熱 膨脹性、導(dǎo)熱性、電磁性能等膨脹性、導(dǎo)熱性、電磁性能等; 力學(xué)性能力學(xué)性能 物理性能物理性能 化學(xué)性能化學(xué)

4、性能 工藝性能工藝性能 化學(xué)性能主要是指耐腐蝕性能。化學(xué)性能主要是指耐腐蝕性能。 2021/2/125 工藝性能工藝性能:材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能 ,即指即指 其鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能其鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能 和熱處理性能。和熱處理性能。 由于機(jī)件的用途不同由于機(jī)件的用途不同,對(duì)其物理性能的要求也對(duì)其物理性能的要求也 不同。例如不同。例如,飛機(jī)、汽車(chē)等交通工具飛機(jī)、汽車(chē)等交通工具,為了減輕重量，為了減輕重量， 采用密度較低的材料采用密度較低的材料;而熔點(diǎn)高的材料可以用來(lái)制而熔點(diǎn)高的材料可以用來(lái)制 造耐熱零件造耐熱零件;制造

5、電機(jī)等則需要考慮材料的導(dǎo)電性制造電機(jī)等則需要考慮材料的導(dǎo)電性 和磁性等和磁性等;金屬材料對(duì)周?chē)橘|(zhì)如大氣、海水等各金屬材料對(duì)周?chē)橘|(zhì)如大氣、海水等各 種介質(zhì)侵蝕的抵抗能力叫耐蝕性。種介質(zhì)侵蝕的抵抗能力叫耐蝕性。 2021/2/126 金屬及合金作為結(jié)構(gòu)材料金屬及合金作為結(jié)構(gòu)材料, ,應(yīng)具備的最主要性能是力應(yīng)具備的最主要性能是力 學(xué)性能學(xué)性能, ,即材料抵抗外力的能力。即材料抵抗外力的能力。 力學(xué)性能包括力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞 強(qiáng)度強(qiáng)度等。等。 2021/2/127 1. 強(qiáng)度強(qiáng)度 強(qiáng)度強(qiáng)度: :材料在外力作用下抵材料在外力作用下抵 抗變形和

6、破壞的能力?？棺冃魏推茐牡哪芰?。 拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī) 2021/2/128 1. 強(qiáng)度強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s s: :材料發(fā)生微量材料發(fā)生微量 塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b b: :材料斷裂前所材料斷裂前所 承受的最大應(yīng)力值。承受的最大應(yīng)力值。 條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.2 0.2: :殘余變 殘余變 形量為形量為0.2%0.2%時(shí)的應(yīng)力。時(shí)的應(yīng)力。 低碳鋼低碳鋼 鑄鐵鑄鐵 2021/2/129 2. 塑性塑性 塑性塑性 斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能 力力, , 用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示。用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示。 伸長(zhǎng)率

7、（伸長(zhǎng)率（） 在拉伸試驗(yàn)中在拉伸試驗(yàn)中, , 試樣試樣 拉斷后拉斷后, , 標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百 分比稱(chēng)為伸長(zhǎng)率。分比稱(chēng)為伸長(zhǎng)率。 斷面收縮率（斷面收縮率（） 試樣拉斷后試樣拉斷后, , 縮縮 頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面 積的百分比稱(chēng)為斷面收縮率。積的百分比稱(chēng)為斷面收縮率。 %100 0 01 L LL %100 0 10 S SS 2021/2/1210 說(shuō)明說(shuō)明 用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。 直徑直徑d d0 0 相同時(shí)相同時(shí), ,L L0 0 , , 。只有當(dāng)。只有當(dāng)L

8、L0 0/d/d0 0為常數(shù)時(shí)為常數(shù)時(shí), , 塑性值才有可比性。塑性值才有可比性。 當(dāng)當(dāng)L L0 0 = 10d = 10d0 0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用 時(shí)，伸長(zhǎng)率用 10 10 表示 表示; ; 當(dāng)當(dāng)L L0 0 = 5d = 5d0 0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用 時(shí)，伸長(zhǎng)率用 5 5 表示。顯然表示。顯然 5 5 10 10 時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征 時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征 %100 0 01 L LL %100 0 10 S SS 2021/2/1211 3. 硬度硬度 硬度硬度:材料抵抗其他硬物壓入的能力材料抵抗其他硬物壓入的能力,即受壓時(shí)即受壓時(shí)

9、 抵抗局部塑性變形的能力。抵抗局部塑性變形的能力。 布氏硬度原理布氏硬度原理洛氏硬度原理洛氏硬度原理 維氏硬度原理維氏硬度原理 2021/2/1212 布氏硬度試驗(yàn)原理圖布氏硬度試驗(yàn)原理圖 布氏硬度布氏硬度 HB )( 2 102. 0 22 dDDD P HB 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 布氏硬度布氏硬度 2021/2/1213 壓頭為鋼球時(shí)壓頭為鋼球時(shí),布氏硬度用符號(hào)布氏硬度用符號(hào)HBS表示表示,適用于布氏適用于布氏 硬度值在硬度值在450以下的材料。以下的材料。 壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí),用符號(hào)用符號(hào)HBW表示，適用于布氏表示，適用于布氏 硬度在硬度在650以下的材料。以下的材料。

10、 符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值之前的數(shù)字表示硬度值, 符號(hào)后面的符號(hào)后面的 數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。 布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕 如如 120HBS10/1000/30 表表 示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在 1000kgf（9.807kN）載荷）載荷 作用下保持作用下保持30s測(cè)得的布氏測(cè)得的布氏 硬度值為硬度值為120。 2021/2/1214 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HR表示表示, HR=k-(h1-h0)/0.002 根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同,分為

11、九分為九 個(gè)標(biāo)尺個(gè)標(biāo)尺,常用的標(biāo)尺為常用的標(biāo)尺為A、B、C。 洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì) 洛氏硬度測(cè)量原理圖洛氏硬度測(cè)量原理圖 2021/2/1215 l符號(hào)符號(hào)HRHR前面的數(shù)字為硬度值前面的數(shù)字為硬度值, ,后面后面 為使用的標(biāo)尺。為使用的標(biāo)尺。 lHRA ,HRA ,壓頭為壓頭為120120金剛石圓錐金剛石圓錐, ,用用 于測(cè)量高硬度材料于測(cè)量高硬度材料, , 如硬質(zhì)合金、如硬質(zhì)合金、 表面淬火鋼。表面淬火鋼。 lHRB HRB ，壓頭為，壓頭為1/161/16英寸淬火鋼球，英寸淬火鋼球， 用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, , 如有色金屬如有色金屬 和退火、正火鋼等。和退火、正火鋼等。

12、lHRC HRC ，壓頭為，壓頭為120120金剛石圓錐，金剛石圓錐， 用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、 淬火鋼等。淬火鋼等。 鋼球壓頭與鋼球壓頭與 金剛石壓頭金剛石壓頭 洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕 2021/2/1216 維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕 HV=F/S壓壓 維氏硬度維氏硬度 2021/2/1217 壓頭壓頭 常用硬度的比較常用硬度的比較 2021/2/1218 動(dòng)載的主要形式動(dòng)載的主要形式: 載荷以較高速度施加到零構(gòu)件上載荷以較高速度施加到零構(gòu)件上, ,形成沖擊。形成沖擊。 抵抗沖擊載荷的能力稱(chēng)為抵抗沖

13、擊載荷的能力稱(chēng)為沖擊韌度沖擊韌度aKU KU 載荷大小和方向做周期性變化載荷大小和方向做周期性變化, ,形成交變載荷。形成交變載荷。 材料能承受規(guī)定次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值稱(chēng)材料能承受規(guī)定次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值稱(chēng) 為為疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 1 1 4. 沖擊韌性沖擊韌性 2021/2/1219 沖擊韌性沖擊韌性:材料抵抗沖擊載荷作用的能力材料抵抗沖擊載荷作用的能力,常用一次擺常用一次擺 錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。測(cè)得試樣錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。測(cè)得試樣沖擊吸收功沖擊吸收功,用符號(hào)用符號(hào) Ak 表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積 S0 , 即即 得到材料的得

14、到材料的沖擊韌度沖擊韌度 ak。 Ak = mgh mgh (J) 沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖 2021/2/1220 建造中的建造中的Titanic 號(hào)號(hào) TITANIC的沉沒(méi)與的沉沒(méi)與 船體材料的質(zhì)量直船體材料的質(zhì)量直 接有關(guān)接有關(guān) TITANIC 2021/2/1221 Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板 Titanic 號(hào)鋼板號(hào)鋼板（左圖）和（左圖）和近代船近代船 用鋼板用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果 2021/2/1222 疲勞疲勞: :材料在交變應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下材料在交變應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下, ,在小于屈服在小于屈服 點(diǎn)的應(yīng)力下發(fā)生斷裂點(diǎn)的

15、應(yīng)力下發(fā)生斷裂 疲勞極限疲勞極限( (強(qiáng)度強(qiáng)度) ) -1 : :材料能承受規(guī)定次數(shù)應(yīng)力材料能承受規(guī)定次數(shù)應(yīng)力 循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力 鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107,有色金屬合金為有色金屬合金為108。 疲勞曲線(xiàn)示意圖疲勞曲線(xiàn)示意圖 對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力圖對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力圖 5. 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 2021/2/1223 裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴(kuò)展裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴(kuò)展, ,導(dǎo)致機(jī)件破斷。導(dǎo)致機(jī)件破斷。 斷裂韌性斷裂韌性: :材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力。 裂紋尖端附近的應(yīng)力分布裂紋尖端附近的應(yīng)力分布 2021/2/12

16、24 應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的 指標(biāo)。指標(biāo)。 aYK I CCIC aYK 23 /mMN 斷裂韌性斷裂韌性:材料抵抗內(nèi)部裂材料抵抗內(nèi)部裂 紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。 C為斷裂應(yīng)力為斷裂應(yīng)力,aC為臨界為臨界 裂紋半長(zhǎng)裂紋半長(zhǎng),單位為單位為 2021/2/1225 案例討論案例討論- -三峽工程首例對(duì)日索賠紀(jì)實(shí)三峽工程首例對(duì)日索賠紀(jì)實(shí) 2021/2/1226 2021/2/1227 2021/2/1228 鋼板到貨鋼板到貨檢驗(yàn)檢驗(yàn) 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 延伸性能延伸性能 沖擊韌性沖擊韌性 不達(dá)標(biāo)不達(dá)標(biāo) 湖北出入境